鄭程遙，劉安平，勞鵬飛，劉　鈺（.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 50665；.武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備有限公司，湖北 武漢 4303；3.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 5095）

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水輪機(jī)高油壓槳葉電液全自動(dòng)調(diào)節(jié)器的開發(fā)與應(yīng)用

鄭程遙1，3，劉安平2，勞鵬飛1，劉鈺2
（1.廣州市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 廣州 510665；2.武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430223；3.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

摘要：基于壓力油的間隙密封原理，構(gòu)成了一種特殊的高油壓旋轉(zhuǎn)受油器，進(jìn)而衍生出水輪機(jī)高油壓槳葉電液全自動(dòng)調(diào)節(jié)器。與傳統(tǒng)的受油器相比，將油的外漏改為了內(nèi)滲，極大的減少了漏油量；同時(shí)，油壓的提高（4～25 MPa）使槳葉接力器體積濃縮，可外置于軸端，輪轂內(nèi)無任何壓力油，消除了壓力油對(duì)河流的污染。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)；高油壓旋接器；槳葉操作接力器；河流污染

0引言

至少有4種因素推動(dòng)著轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉電液調(diào)節(jié)操作油壓的高壓化。

（1）水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)的常規(guī)操作油壓經(jīng)歷了2.5 MPa、4.0 MPa、6.3 MPa的升壓變化，而每一次升壓都引發(fā)了相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步［1］，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，因此升壓已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

（2）自1997年初，我國(guó)第1臺(tái)操作油壓達(dá)16 MPa、操作功為5 000 N·m的高油壓電液調(diào)速器［2］投運(yùn)以來，高油壓已成為用戶的首選，水利部也將其作為先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行推廣。但現(xiàn)有的高油壓技術(shù)僅適用導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，而對(duì)于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，需要槳葉調(diào)節(jié)，如果用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，即便6.3 MPa及以下，其密封都無法徹底解決液壓油的滲漏問題［3］；采用高油壓時(shí)，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和油密封難度極大，從而造成高油壓調(diào)速器無法在轉(zhuǎn)槳式機(jī)組中應(yīng)用，限制了這一先進(jìn)技術(shù)的推廣。

（3）水能資源作為清潔能源的的價(jià)值愈顯突出，由于轉(zhuǎn)槳式機(jī)組較定槳式機(jī)組提高水能利用效率10%以上，而且，槳葉與導(dǎo)葉形成最佳協(xié)聯(lián)關(guān)系，可避免發(fā)生葉片頻率fn與壓力脈動(dòng)形成共振，減少疲勞破壞（f葉=Z葉片數(shù)×fn），有利于提高設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性。所以，對(duì)于轉(zhuǎn)輪直徑和容量較小的軸流式機(jī)組，都希望采用轉(zhuǎn)槳式［4］，但是，如要用低操作油壓，由于其體積大，無法與中小機(jī)組匹配，只能采用高油壓方案。

（4）對(duì)環(huán)境影響：傳統(tǒng)的中、低油壓槳葉調(diào)節(jié)裝置，由于其槳葉接力器置于轉(zhuǎn)輪輪轂體內(nèi)，壓力油自然也是進(jìn)入轉(zhuǎn)輪體，槳葉的根部轉(zhuǎn)軸與其襯套在葉片長(zhǎng)期承受巨大水壓力而不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，會(huì)產(chǎn)生磨損變形，從而使壓力油滲漏到河水中，污染河流。例如：河北某軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組每天的漏油量達(dá)到185 L［5］，還有湖南某水電站轉(zhuǎn)槳式機(jī)組一年的漏油量達(dá)80余t［6］。而槳葉接力器高油壓化后，使之體積、重量顯著減小，便可將其從水輪機(jī)輪轂內(nèi)移出，外置于軸端，通過純機(jī)械軸傳遞力矩，控制槳葉。這不僅可使輪轂比減小，提高了水輪機(jī)效率，還解決了油對(duì)河流的污染問題，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

綜上，轉(zhuǎn)槳式機(jī)組槳葉調(diào)節(jié)的高油壓化，對(duì)于促進(jìn)水輪機(jī)行業(yè)的產(chǎn)品升級(jí)，水能資源的更有效利用，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，有著重要的意義。所以，國(guó)內(nèi)外都特別關(guān)注轉(zhuǎn)槳式機(jī)組高油壓操作技術(shù)，希望突破這一瓶頸，但由于其技術(shù)難度大，迄今仍然停留在理論探索和物理實(shí)驗(yàn)階段。例如：郭建業(yè)提出了高油壓槳葉調(diào)節(jié)裝置的基本結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)密封的設(shè)想［7］；周泰經(jīng)提出了槳葉電——?jiǎng)硬僮鳈C(jī)構(gòu)，將槳葉接力器從轉(zhuǎn)輪體內(nèi)移出的設(shè)想方案［6］；安剛等提出了將使用16 MPa

1高油壓槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)

基于前述原因，吸取了相關(guān)單位及專業(yè)人士多年共同研究與探索的經(jīng)驗(yàn)。我們研制出ENT-16H-v（h）型高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，并于2014年10月初和2015年4月初分別在廣東紅橋（燈泡貫流式）和湖南甘溪（軸流轉(zhuǎn)槳式）水電站投入運(yùn)行，性能優(yōu)良（已獲得發(fā)明專利，專利號(hào)2015101453802）。

1.1結(jié)構(gòu)總裝

ENT-16H-h的結(jié)構(gòu)見圖1，基本特征是：操作油壓為16 MPa，通過旋轉(zhuǎn)受油器進(jìn)入槳葉接力器，槳葉接力器外置于軸端，并隨主軸一同旋轉(zhuǎn)，接力器的軸向位移，通過主軸的槳葉推拉桿，帶動(dòng)槳葉操作架，使槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，接力器的位移信號(hào)通過磁質(zhì)傳感器傳送到微機(jī)調(diào)速的輸入端，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、槳葉的自動(dòng)協(xié)聯(lián)控制。

圖1 ENT-16H-h結(jié)構(gòu)圖

1.2高壓旋轉(zhuǎn)受油器

高壓旋轉(zhuǎn)受油器為ENT-16H的核心部件，它的主要功能是將工作壓力油通過固定的管路傳送到隨主軸一并旋轉(zhuǎn)的槳葉接力器中，并通過電磁切換閥切換油路從而控制接力器軸向位移的方向。高壓旋轉(zhuǎn)受油器的結(jié)構(gòu)見圖2，其關(guān)鍵技術(shù)是：高壓轉(zhuǎn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，裝置發(fā)熱溫升計(jì)算及裝置效率計(jì)算，而密封結(jié)構(gòu)尤為關(guān)鍵。高壓旋轉(zhuǎn)受油器外套與靜止不動(dòng)的高壓進(jìn)油管連接，連接件宜采用高壓軟管，以吸收機(jī)組的軸向和徑向位移。設(shè)定轉(zhuǎn)速≤1 500 r/min，槳葉接力器直徑≤100 mm，油壓10～25 MPa，內(nèi)泄量﹤50 mL/min，且不允許外泄，油液粘度41.6～46 CST。根據(jù)上述參數(shù)，采用軸孔精密配合微間隙密封結(jié)構(gòu)，對(duì)通流間隙的流體進(jìn)行節(jié)流并產(chǎn)生盡可能大的液阻，使液體產(chǎn)生壓力損失，實(shí)現(xiàn)泄流面小壓力小流量的泄漏，再利用輔助環(huán)節(jié)最終實(shí)現(xiàn)流體密封。

在結(jié)構(gòu)上，軸孔配合既要保證轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，又不允許軸孔表面直接摩擦，同時(shí)，又要使間隙漏油量盡可能小，軸孔間泄油量按環(huán)狀縫隙流量公式計(jì)算：

圖2高壓旋轉(zhuǎn)受油器結(jié)構(gòu)

式（1）中：d為軸徑；S為間隙寬度；△P為間隙兩端壓差；μ為油液動(dòng)力粘度；L為間隙長(zhǎng)度；ε偏心比（e/s）；e為軸孔偏心量。

其中ρ為流體密度；c為流體流速；λ為摩擦系數(shù)；L、S的意義同（1）式。

從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，高壓旋轉(zhuǎn)受油器固定襯套和轉(zhuǎn)軸的間隙取0.008～0.022 mm為宜，顯然，這樣小的間隙不產(chǎn)生摩擦，軸端的支撐方式是十分重要的。此外沉割槽的設(shè)置，泄流的處理，組成材料的選擇與生產(chǎn)工藝，都要圍繞功能和壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從結(jié)構(gòu)上看，旋轉(zhuǎn)受油器較傳統(tǒng)的受油器相比，將傳統(tǒng)受油器壓力油的外漏改為內(nèi)滲，極大的減少了漏油量，減少了高油壓泵啟動(dòng)頻率，節(jié)省了廠用電。

1.3推拉桿設(shè)計(jì)

由于槳葉接力器一般置于發(fā)電機(jī)側(cè)軸端，而操作架位于水輪機(jī)輪葉側(cè)，所以推拉桿較長(zhǎng)，應(yīng)按壓桿的穩(wěn)定條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并校核組合壓力，當(dāng)推拉桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí)，按歐拉公式（Euler formula）計(jì)算臨界載荷Fk：

Fk不小于按常規(guī)轉(zhuǎn)槳式機(jī)組設(shè)計(jì)的操作力，在式（4）和式（5）中，n為末端條件參數(shù)；E為推拉桿材料彈性模量；J為推拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；l為推拉桿長(zhǎng)度；k為推拉桿的回旋半徑。

fe為材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值；a為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；m為柔度系數(shù)；其中，n、E、fe、m的選取，可見材料力學(xué)相關(guān)資料。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往沿推拉桿軸向設(shè)置若干個(gè)徑向?qū)лS承，以改善推拉桿的剛度，保證其穩(wěn)定性。

1.4控制保護(hù)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)槳式機(jī)組要求導(dǎo)葉、槳葉保持協(xié)聯(lián)關(guān)系，故高油壓槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置裝有精度較高，可靠性較好的位移傳感器，將接力器的位移信號(hào)傳給微機(jī)調(diào)速器，通過調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制單元實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉、槳葉的協(xié)聯(lián)控制。而接力器活塞的運(yùn)動(dòng)方向由電磁閥控制，該電磁閥也控制壓力油的通斷。

由于旋轉(zhuǎn)受油器的靜止襯套與轉(zhuǎn)軸之間的間隙僅有0.01 mm，所以不能完全避免產(chǎn)生卡阻粘接，這時(shí)靜止的襯套及其外套將與轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)，而高壓油管又安裝在外套上，容易使高壓油管中的高壓油外泄，造成人身和設(shè)備事故，故應(yīng)建立機(jī)電保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生卡阻時(shí)，靜止外套有位移，利用此位移信號(hào)，切斷高壓油的油路，以保證高壓操作油密封安全。當(dāng)然，在實(shí)際中，也可加設(shè)一套機(jī)械保護(hù)裝置，利用此位移信號(hào)觸發(fā)機(jī)械保護(hù)裝置動(dòng)作機(jī)組關(guān)機(jī)，以保證機(jī)組和其他設(shè)備的安全。

1.5水輪機(jī)槳葉自潤(rùn)滑系統(tǒng)

由于槳葉接力器外置，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)無油，輪葉通過操作架旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無任何潤(rùn)滑介質(zhì)，所以要選擇采用性能優(yōu)越的自潤(rùn)滑材料［10］和合理的密封結(jié)構(gòu)［11］。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1廣東英德紅橋水電站

紅橋水電站位于滃江中游段，是滃江干流的第10個(gè)梯級(jí)，壩址以上集水面積3 121 km2，電站裝設(shè)2臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，其參數(shù)如下：

水輪機(jī)：

型號(hào)GZ1250B-WP-356

最大水頭5.38 m

設(shè)計(jì)水頭4.48 m

最小水頭3.00 m

額定出力3 667 kW

額定流量91.2 m3/s

轉(zhuǎn)輪直徑3.56 m

發(fā)電機(jī)：

型號(hào)SFWG3800-48/4000

額定容量3 500 kW

額定電壓6.3 kV

額定功率因數(shù)0.9

額定轉(zhuǎn)速125 r/min

經(jīng)分析，調(diào)速器導(dǎo)葉和槳葉調(diào)節(jié)均采用16 MPa高壓油操作有較大的優(yōu)越性，故選擇了ENT-16H-h型水輪機(jī)，比采用GD型定槳式機(jī)組提高效率15%以上，比采用傳統(tǒng)低油壓的燈泡貫流式機(jī)組節(jié)約成本10%，取消了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封困難的傳統(tǒng)受油器，取消了調(diào)速器壓力油罐，取消了高壓氣系統(tǒng)，代之以小體積的高壓儲(chǔ)能罐；安裝時(shí)省去了“盤車”等費(fèi)時(shí)環(huán)節(jié)。同時(shí)，解決了漏油造成油系統(tǒng)電機(jī)頻繁啟動(dòng)的能耗，杜絕了漏油對(duì)河流的污染。

工程于2013年9月11日開工，由于采用ENT-16H-h簡(jiǎn)化了機(jī)電和土建工程，全部工程于2014年10月底完成。2臺(tái)機(jī)組自10月20日投運(yùn)至今，運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)裝置工作可靠，免維護(hù)。

2.2湖南衡東甘溪水電站

甘溪水輪泵水電站位于洣水河下游段，是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、防洪、通航功能的綜合水利樞紐。壩址以上控制流域面積9 869 km2，電站原裝有10臺(tái)軸流定槳式機(jī)組，其參數(shù)如下：

水輪機(jī)：

型號(hào)ZD510-LH-180

最大水頭12 m

設(shè)計(jì)水頭10 m

最小水頭8 m

額定出力1 421 kW

額定流量16.9 m3/s

轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m

發(fā)電機(jī)：

型號(hào)TSL260/40-24

額定容量1 250 kW

額定電壓3 150 V

額定功率因數(shù)0.8

額定轉(zhuǎn)速250 r/min

該電站最大的特點(diǎn)是集雨面積大，徑流量大，引用流量小，有較多水量損失。為提高效益，在豐水期要增加機(jī)組出力，而在枯水期抗旱，要提高機(jī)組的效率；因此，解決問題的唯一辦法是采用轉(zhuǎn)槳式水輪。由于該轉(zhuǎn)輪直徑?。?.8 m），采用中低壓油壓裝置，會(huì)因體積大，無法在不改變?cè)瓩C(jī)坑的情況下實(shí)施。最終，決定采用ENT-16H-v型高壓電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)。

新機(jī)組于2015年4月1日投入運(yùn)行，單機(jī)出力提高到1.6 MW，較原額定出力提高了28%。同時(shí)，由于將定槳式改為了轉(zhuǎn)槳式，使得槳葉始終自動(dòng)與導(dǎo)葉處在最佳協(xié)聯(lián)工況，新機(jī)組的振動(dòng)擺度比未改造的其他定槳機(jī)組明顯減?。徊⑶倚聶C(jī)組的效率也有大幅度提高，這一點(diǎn)，是通過同一出力下，新舊機(jī)型尾水出水流量的對(duì)比所得出結(jié)果。

通過上述例證，無論燈泡貫流式還是軸流式，即對(duì)于傳統(tǒng)的KAPLAN型水輪機(jī)，ENT-16H-v（h）都是其升級(jí)產(chǎn)品，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)語

（1）高油壓槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)（KAPLAN型）的升級(jí)換代，對(duì)水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造，對(duì)水能資源的開發(fā)，將產(chǎn)生良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

（2）高油壓槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)采用了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系，杜絕了轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)漏油對(duì)河流的污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，是環(huán)保型綠色水輪機(jī)。

（3）高油壓槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)式水輪機(jī)，無論是軸流式還是燈泡貫流式，不論是立式還是臥式，都得到了實(shí)際應(yīng)用，并產(chǎn)生了良好的效果，為進(jìn)一步的改進(jìn)和推廣創(chuàng)造了條件。

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中圖分類號(hào)：TK730.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2016）06-0020-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.008

收稿日期：2016-04-01

作者簡(jiǎn)介：鄭程遙（1957-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：水利機(jī)電工程。油壓操作的導(dǎo)葉與使用常規(guī)操作油壓的槳葉分開獨(dú)立設(shè)置的方案，并設(shè)想下一步將槳葉操作油壓提高到16 MPa［8］；章嘉慶等則提出了將旋轉(zhuǎn)器應(yīng)用到轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)［9］等。這些研究，從各個(gè)側(cè)面反映了高油壓槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的優(yōu)越性和相關(guān)技術(shù)，但沒有完整的、系統(tǒng)的形成槳葉電液自動(dòng)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，更沒有真機(jī)投入商業(yè)運(yùn)行。所以，開發(fā)出真機(jī)并投入運(yùn)行，是行業(yè)的重大技術(shù)創(chuàng)新。